張少舜，張長(zhǎng)科，鞠 輝，王二立

（1.中國(guó)建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心湖南總隊(duì)，湖南 株洲 412000；2.湖南納菲爾新材料科技股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

鉆桿是地質(zhì)勘探和油氣田開(kāi)發(fā)生產(chǎn)設(shè)備十分重要的構(gòu)件，在作業(yè)過(guò)程中受力情況十分復(fù)雜，其中疲勞失效、腐蝕失效、過(guò)載失效、應(yīng)力腐蝕失效、脆性斷裂失效、機(jī)械損傷失效和產(chǎn)品缺陷是鉆桿失效的主要原因[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)75%～80%的鉆桿失效是由于腐蝕引起的[2]。目前鉆桿主要使用有機(jī)內(nèi)涂層（TK34、TC2000等），作為防腐表面處理的技術(shù)手段。有機(jī)涂層具有良好的防腐蝕性能，在一定程度上解決了鉆桿內(nèi)壁腐蝕問(wèn)題。由于有機(jī)內(nèi)涂層的自身性能特點(diǎn)限制，在使用中存在易被泥漿中攜帶的沙石損傷、老化脫落等問(wèn)題導(dǎo)致涂層防護(hù)失效問(wèn)題[3]。針對(duì)上述問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種新型的防腐蝕鉆桿，該新型防腐鉆桿的整體設(shè)計(jì)方案為：在普通鉆桿內(nèi)、外表面電沉積一定厚度的鎢合金，從而使鉆桿表面獲得了鎢合金的各項(xiàng)性能。鎢合金鍍層具有高耐磨性、高耐腐蝕特性，可以適用于H2S、Cl-、CO2等腐蝕環(huán)境中，完全滿足鉆桿使用對(duì)于防腐蝕的需求，在鉆桿防腐蝕領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 鎢合金鉆桿技術(shù)特性

鎢合金鉆桿是在普通鉆桿內(nèi)、外表面電沉積一層鎢合金，從而使鉆桿表面具有了鎢合金的各項(xiàng)性能。鎢合金具有高耐磨性、高耐腐蝕特性，可以適用于H2S、Cl-、CO2等高腐蝕環(huán)境中，滿足鉆桿使用對(duì)于防腐蝕的需求。

1 鎢合金鉆桿技術(shù)特性

1.1 形貌及成分

鎢合金因其特殊的沉積條件，在合金化過(guò)程中形成了非晶態(tài)合金結(jié)構(gòu)，非晶態(tài)的鍍層結(jié)構(gòu)具有近程有序、長(zhǎng)程無(wú)序的特性，非晶態(tài)結(jié)構(gòu)無(wú)晶界，位錯(cuò)等晶體缺陷，這也是鎢合金具有優(yōu)異性能的重要原因[4]。鍍層表觀光亮平滑、結(jié)構(gòu)致密、均勻覆蓋能力良好，可以有效保護(hù)基材不受腐蝕介質(zhì)侵蝕。

圖1 鎢合金表觀微觀形貌及截面微觀形貌

表1為鎢合金鍍層表面熒光光譜分析結(jié)果，結(jié)果顯示，鎢合金主要組成成分為鎳和鎢，并含有少量的鐵、磷等合金元素。

表1 鎢合金表面熒光光譜分析結(jié)果

1.2 耐腐蝕性

鎢合金鍍層具有優(yōu)異的耐Cl-、H2S、CO2等多種介質(zhì)的耐腐蝕性能，針對(duì)石油鉆采的復(fù)雜腐蝕環(huán)境工況，參照NACE RP-0775-2005標(biāo)準(zhǔn)，模擬四川元壩氣田腐蝕工況對(duì)鎢合金耐腐蝕性能進(jìn)行檢測(cè),工況條件見(jiàn)表2。

表2 耐腐蝕性檢測(cè)工況條件

檢測(cè)結(jié)果如表3所示，在嚴(yán)苛工況條件下鎢合金樣品無(wú)明顯腐蝕變化，腐蝕速率0.0094mm/a，耐腐蝕性能達(dá)到高級(jí)耐腐蝕合金級(jí)別。

表3 鎢合金模擬工況腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

試樣清洗后去除表面腐蝕產(chǎn)物后從試樣表觀及微觀形貌（圖2）可以看出鎢合金試樣均呈亮白金屬光澤，無(wú)明顯點(diǎn)蝕現(xiàn)象。

圖2 鎢合金試樣去除腐蝕產(chǎn)物后的宏觀及微觀形貌

1.3 優(yōu)秀的耐磨性能

鎢合金具有高的表面硬度，鍍態(tài)硬度可達(dá)550Hv，經(jīng)過(guò)不同溫度的熱處理后，鎢合金硬度可高達(dá)950Hv。從圖3硬度壓痕圖可以看出壓痕呈完整菱形，無(wú)邊角開(kāi)裂及塌陷現(xiàn)象，表明鍍層韌性良好。且經(jīng)高溫?zé)崽幚砗蟛挥绊戞u合金的耐腐蝕性能。高的表面硬度和良好的鍍層韌性使鎢合金具有優(yōu)異的耐磨性能，鎢合金在邊界潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)與硬鉻相當(dāng)，與摩擦副線性磨損量?jī)?yōu)于鍍鉻[5]。

表4 不同熱處理溫度下鎢合金鍍層硬度

圖3 鎢合金硬度測(cè)試壓痕圖

1.4 高結(jié)合強(qiáng)度

鎢合金鍍層與基體結(jié)合強(qiáng)度高，依據(jù)GB/T 5270標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)鎢合金結(jié)合強(qiáng)度，采用彎曲法進(jìn)行檢測(cè)，從圖4可以看出，彎曲后鍍層無(wú)開(kāi)裂、脫落現(xiàn)象，說(shuō)明鎢合金與基體具有極高的結(jié)合強(qiáng)度，可以在復(fù)雜受力條件下對(duì)基材形成有效的保護(hù)作用。

圖4 鎢合金結(jié)合強(qiáng)度彎曲試驗(yàn)

2 鎢合金在石油鉆采中應(yīng)用情況

鎢合金因其特有的性能特點(diǎn)，具有優(yōu)異的抗H2S、CO2以及Cl-腐蝕性能，經(jīng)過(guò)公司多年的試驗(yàn)研究，已經(jīng)成功開(kāi)發(fā)出鎢合金抽油桿、油管、襯管等系列產(chǎn)品。該系列產(chǎn)品在油田中已經(jīng)取得了成功的應(yīng)用，并且獲得了良好的反饋。

2009年鎢合金H級(jí)抽油桿15500m在塔里木油田哈拉哈塘地區(qū)HA12-1、HA702、HA701、HA13井進(jìn)行下井作業(yè)實(shí)驗(yàn)，該地區(qū)井深在3000m以上，在含有99900mg/L的Cl-和8.9903%的H2S的惡劣腐蝕環(huán)境下，普通抽油桿平均使用壽命不超過(guò)3個(gè)月，鎢合金抽油桿在該區(qū)塊應(yīng)用正常運(yùn)行超過(guò)36個(gè)月，取得了巨大的突破[5]。

鎢合金油管自2006年11月首次在勝利油田孤島采油廠GD3-14-9井開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并獲得成功后，鎢合金油管產(chǎn)品迅速在各大油田推廣，目前已經(jīng)在勝利油田、南陽(yáng)油田、青海油田等多個(gè)油田取得了規(guī)?；瘧?yīng)用[6]。

鎢合金襯管已經(jīng)在元壩海相YB27-3H和YB10-1H井取得下井應(yīng)用，應(yīng)用情況良好。其中YB10-1H井完井鉆井深度7749m（垂深6714.24m），鎢合金襯管下深7307.39m～7747.76m；YB27-3H井完鉆井深7626m（垂深6525.31m），水平段長(zhǎng)：838m，鎢合金襯管下深6581.07m～7029.72m[7]。

3 鎢合金鉆桿的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用前景

隨著石油、天然氣油氣消耗量的增大，陸地深層和海洋油氣資源的已經(jīng)成為提高油氣勘探開(kāi)發(fā)效益、提高石油公司競(jìng)爭(zhēng)力的重要手段?；诳碧较蛏罹⒊罹?、含H2S和CO2油氣井、海洋井等復(fù)雜井的發(fā)展，開(kāi)發(fā)適合復(fù)雜井況勘探開(kāi)發(fā)的鉆桿成為必然趨勢(shì)。各大石油機(jī)械設(shè)備制造商也在積極探索開(kāi)發(fā)新的鉆桿產(chǎn)品，鋁合金、鈦合金等高端鉆桿也已經(jīng)陸續(xù)在油田取得了應(yīng)用[8-10]。但合金鉆桿的高昂價(jià)格也帶來(lái)了油氣開(kāi)采成本的上升。鎢合金鉆桿的優(yōu)異性能和高性價(jià)比使其在復(fù)雜井況開(kāi)采具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.1 鎢合金鉆桿的優(yōu)勢(shì)分析

①耐腐蝕性能優(yōu)異，鎢合金鉆桿具有耐Cl-、H2S、CO2以及多介質(zhì)復(fù)雜工況腐蝕的優(yōu)異性能，滿足油氣高含H2S、CO2油氣井以及海洋井開(kāi)發(fā)對(duì)材料耐腐蝕性的需求。②鍍層表面硬度高，具有高耐磨損性能，有效解決了施工過(guò)程中鉆井液攜帶沙石沖刷局部破壞防腐層從而造成點(diǎn)蝕甚至穿孔的失效問(wèn)題。③鎢合金層與基體間結(jié)合為原子鍵結(jié)合，具有超高的結(jié)合強(qiáng)度，在復(fù)雜受力及大幅度冷熱交替工況下能保證鍍層的完整性和粘附性，不會(huì)出現(xiàn)鼓泡、脫落等失效問(wèn)題。④鎢合金具有優(yōu)秀的耐高溫性能，在500℃以下使用鍍層性能不發(fā)生改變，能良好的適應(yīng)深井、超深井高溫、高壓的作業(yè)環(huán)境，對(duì)鉆桿性能有效的保護(hù)作用。⑤鎢合金鉆桿是在普通鉆桿表面進(jìn)行電沉積加工，制作成本較合金材料鉆桿具有明顯的優(yōu)勢(shì)，可以大幅降低復(fù)雜油氣開(kāi)采成本，提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。⑥鎢合金屬于環(huán)境友好型新技術(shù)，工藝加工過(guò)程無(wú)有毒有害物排放，污水治理簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)污水的全循環(huán)，整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程無(wú)生產(chǎn)性污水排放。

基于上述分析，鎢合金鉆桿在是復(fù)雜井況勘探開(kāi)發(fā)的優(yōu)選方案，在油氣開(kāi)采領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

2013年7 月鎢合金鉆桿在中海油湛江基地番禺35-1-A3井成功取得下井應(yīng)用試驗(yàn)，該井使用鉆井液體系為PDF-PLUS/KCL體系，pH值8.5-9.5。該井鉆進(jìn)所使用鎢合金鉆桿整體使用情況良好，未出現(xiàn)腐蝕問(wèn)題。鉆桿使用耐腐蝕性優(yōu)異滿足工況需求，但使用中仍然存在一些未能夠預(yù)測(cè)到的問(wèn)題，由于鉆桿外壁鍍覆鎢合金后表面硬度大幅提升，在起下鉆過(guò)程中出現(xiàn)了卡瓦咬合打滑現(xiàn)象，這是后期產(chǎn)品設(shè)計(jì)所需要考慮解決的問(wèn)題。

4 結(jié)論

（1）鎢合金鉆桿在保持了鋼制鉆桿優(yōu)秀的機(jī)械性能，同時(shí)具有優(yōu)異的耐Cl-、H2S、CO2以及其多介質(zhì)復(fù)雜工況腐蝕性、高耐磨損性能、高結(jié)合強(qiáng)度、耐高溫性能優(yōu)良等，是目前復(fù)雜井況油氣開(kāi)采的優(yōu)秀選擇方案。并且其加工工藝環(huán)境友好，整體加工成本遠(yuǎn)低于合金鉆桿，大幅節(jié)約復(fù)雜井況油氣開(kāi)采成本，具有巨大的應(yīng)用前景和推廣應(yīng)用價(jià)值。

（2）鎢合金鉆桿的性能優(yōu)勢(shì)突出，具有廣闊的市場(chǎng)前景。然而石油鉆采是一個(gè)復(fù)雜的作業(yè)過(guò)程，需要各方面協(xié)同配合，鎢合金鉆桿的應(yīng)用還需要進(jìn)行深入的下井作業(yè)研究，解決在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中可能面臨的一些問(wèn)題。